Навколо Чумацького Шляху обертаються десятки крихітних супутникових галактик, які астрономи називають ультратьмяними карликами (ultra-faint dwarfs). У них майже немає зір — деякі налічують лише кілька тисяч світил, тоді як маса самої галактики в сотні чи тисячі разів перевищує видиму речовину. Цю різницю заповнює темна матерія, і саме тому ультратьмяні карлики вважають найчистішими лабораторіями для перевірки її властивостей.
Нове дослідження Морітца Фішера (Moritz S. Fischer) та Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu), опубліковане в Astrophysics of Cosmology and Nongalactic Astrophysics, перевіряє одну конкретну гіпотезу: що станеться з темною матерією, якщо вона не лише притягується гравітаційно, а й час від часу зіштовхується сама із собою.
Модель SIDM і зворотний зв'язок гало
Стандартна космологічна модель описує темну матерію як «холодну» і безстолкновувальну — частинки взаємодіють між собою тільки через гравітацію. Альтернативна модель, самовзаємодіюча темна матерія (SIDM, self-interacting dark matter), додає ще один канал взаємодії: пряме розсіювання частинок одна на одну, подібно до зіткнень молекул газу.
Наслідки таких зіткнень розгортаються у два етапи. Спочатку зіткнення переносять енергію із зовнішніх частин гало (області, де зосереджена темна матерія) до центру, і ядро розширюється, стаючи менш густим. Але цей процес не триває нескінченно: коли центральна область втрачає достатньо тепла, вона починає стискатися під власною гравітацією, розігрівається ще сильніше і стискається знову.
Цей самопідсилюваний цикл автори називають гравотермальним колапсом — за аналогією з гравотермальною катастрофою, відомою у фізиці зоряних скупчень. У результаті центральна густина темної матерії може зростати необмежено, замість того щоб залишатися сталою, як передбачає стандартна модель.
Симуляції проти реальних супутників Чумацького Шляху
Щоб перевірити, чи відповідає ця картина реальності, дослідники провели детальні N-body симуляції (комп'ютерні моделі, де рухи мільйонів умовних частинок відтворюють поведінку гало) системи, подібної до Чумацького Шляху, у моделі SIDM. Отримані характеристики змодельованих супутників порівняли з реальними вимірюваннями — властивостями розподілу темної матерії в ультратьмяних карликах, які астрономи оцінюють за кінематикою зір (рухом світил усередині галактики).
Результат: різноманіття густин темної матерії, яке спостерігається серед супутників Чумацького Шляху, добре узгоджується з тим, що передбачає гравотермальна еволюція в SIDM. Більшість досліджених карликів мають високу центральну густину — ознаку того, що їхні гало вже пройшли фазу максимального розширення ядра і увійшли у фазу стиснення, тобто перебувають у самому колапсі.
При цьому глибина, до якої різні гало встигли «провалитися» в колапс, суттєво відрізняється від галактики до галактики. Саме ця відмінність, за словами авторів, і пояснює спостережувану різноманітність густин: одні супутники ще на ранніх стадіях стиснення, інші — значно далі просунулися в цьому процесі.
Припливне руйнування як прискорювач колапсу
Дослідники знайшли додатковий, незалежний аргумент на користь моделі. Супутники, які під час своєї орбіти підходять ближче до центру Чумацького Шляху, зазнають сильнішого припливного руйнування (tidal stripping) — гравітаційного «обдирання» зовнішніх шарів гало під впливом припливних сил материнської галактики.
Виявилося, що саме такі галактики — з меншою відстанню найбільшого зближення (перицентром) до центру Чумацького Шляху — демонструють найвищі центральні густини темної матерії. Це узгоджується з логікою моделі: припливне руйнування прискорює гравотермальну еволюцію, підштовхуючи гало глибше в колапс.
Автори оцінюють, що спостережувані густини узгоджуються з великим перерізом самовзаємодії — приблизно 80 см²/г при швидкості близько 20 км/с. Це відносно сильна взаємодія за мірками моделей SIDM, і саме вона, за розрахунками дослідників, потрібна, щоб відтворити спостережувану картину для більшості ультратьмяних карликів Чумацького Шляху.
Якщо ці висновки підтвердяться подальшими спостереженнями та точнішими вимірюваннями кінематики зір у карликових галактиках, це стане одним із найконкретніших свідчень того, що темна матерія — не пасивна маса, а речовина з власною внутрішньою динамікою, здатна взаємодіяти сама з собою.
